CC BY
154
Key words: discrimination of moving targets, space-time signal, detection algorithms, amplitude-phase field distribution.
Novikov Alexandr Valeriyevich, head of sector, rts@,cdbae.ru, Russia, Tula, JSC Central Design Bureau of Apparatus Engineering
УДК 621.396.96
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОСТРАНСТВЕННО-ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ СЕЛЕКЦИИ
В. Л. Румянцев, Н.М. Барановский
Исследована модель системы пространственно-поляризационной селекции, в которой в качестве антенных элементов используются ортогональные вибраторы. Рассмотрено влияние изменений поляризационных параметров помех на ее параметры.
Ключевые слова: поляризационная селекция, адаптивная система, антенная решетка, диаграмма направленности.
Одним из наиболее предпочтительных и доступных методов повышения помехозащищенности радиоэлектронных средств (РЭС) является их оснащение адаптивными антенными решетками (ААР) [1, 2]. Вместе с тем существует ряд проблемных вопросов, без решения которых эффективное применение ААР невозможно. К таким вопросам, прежде всего, относятся [1-4]:
1) влияние антенной системы решетки аппаратуры потребителей РЭС на эффективность адаптивной селекции полезных и помеховых сигналов;
2) выбор алгоритма адаптации, рационально учитывающий особенности помеховой обстановки на входе аппаратуры потребителей информации РЭС;
3) возможность подавления полезного сигнала в ААР и реализуемые способы защиты с учетом специфики аппаратуры потребителей;
4) изменение структуры помехи на выходе и необходимость применения алгоритмов обработки сигналов с учетом этого в подсистемах аппаратуры потребителей.
Сложность решения этих вопросов обусловлена отсутствием необходимого методического аппарата для теоретических исследований и большими потребными затратами при применении экспериментальных методов.
Выбор вариантов построения антенной системы должен, прежде всего, учитывать необходимость формирования ее требуемой диаграммы направленности, обеспечивающей возможность приема сигналов в требуемом пространственном секторе. Реализация ААР накладывает дополнительные требования на варианты построения и размещения антенных элементов, поскольку от этого зависит угловое разрешение полезных и поме-ховых сигналов, а следовательно, защита полезного сигнала от подавления из-за попадания в провал ДН, формируемой в направлении помехи, а также возможность реализации поляризационной селекции полезных и поме-ховых сигналов.
Наибольший интерес представляет исследование адаптивных систем пространственно-поляризационной селекции, в которых в качестве антенных элементов используются биортогональные вибраторы [2]. Рассмотрим математическую модель такой системы, руководствуясь необходимостью проведения количественных оценок для выявления свойств адаптивных систем пространственно-поляризационной селекции в условиях нестационарных помех.
Пусть адаптивная система пространственно-поляризационной селекции (СППС) состоит из N двухканальных биортогональных вибраторов Ль..., Л^ (рис. 1) с устройствами комплексного взвешивания в каждом канале. С направления, определяемого ортом Р0, приходит частично поляризованный сигнал Xо(Ро, 1), а с направлений, определяемых ортами
рт, т = 1, М, - частично поляризованные помехи - X (р, 1) = {Хт (Рт .
/-----ч
Процессор, реализующий алгоритм
Рис. 1. Функциональная схема адаптивной системы пространственно-поляризационной селекции
Сигнал Уо (•) и помеха Утп (•) на входе адаптивно управляемых устройств взвешивания могут быть определены в виде:
94
Ушп (Рт, 0 = X (Рт ) Хтп (г), т = 0,М, п = 1,2Ы,
где уп (р) = (р)ехр(Дгпр), /п (р) - нормированная векторная ком-
плексная диаграмма направленности п-го элемента антенной решетки с коэффициентом усиления Эп в местной системе координат, положение которой в общей системе, определяется радиус-вектором гп; к = 2р/1;|| || -знак скалярного произведения векторов.
Частично-поляризованная волна в соответствии с теоремой Стокса может быть представлена в виде суммы трех статистически независимых компонентов:
V (р, г) = Ур (р, г) + V* (р, г) + (р, г),
определяющих регулярно Vp (р, г) и хаотически Vф (р, г) + VQ (р, г) поляризованные составляющие. Причем последняя представляется суммой ортогонально ориентированных (вдоль ортов сферической системы координат
, ф) составляющих Vф (р, г) + (р, г).
Рассмотрим особенности формирования алгоритма адаптации по критерию максимума сигнал/помеха, основанного на методе Винера [2].
В [5-7] показано, что отношение сигнал/шум на выходе системы обработки имеет вид
2 2 Ж * ЛЖ
д = до - *. - , (!)
Ж ВЖ
2
где до - отношение сигнал/шум на входе системы ППС. Неотрицательно и
положительно определенные эрмитовы матрицы Л и В размером 2Ы в (1) определяются равенствами
3 Т М 3 Т
Л = X е/0е ^о;В = 12Ы + X X е/0е У/шшдт;
/=1 т=1 / =1
ет = ||^п (Рт )Х/т| |; Х1т = кт; Х2т = ; Х3/ = ф;
.0.ТТ ТЛ Л С/1 „„0
Vm = mm;V2m = V3m = 0.5(1 - mm);m = 0,M ; где qmm - нормированные к внутреннему шуму значения мощности сигнала
(т = 0) и помех (т = 1,М).
Оптимальное значение вектора весовых коэффициентов может быть определено как
Ж = Я ,
где £ - вектор ковариаций сигналов на входе адаптивно-управляемых каналов с полезным или опорным сигналом.
95
0 0 1 (г'в+^ф
Значение шШ определяет степень поляризации, а кш _ ,--
V1 + |Р| 2
векторы поляризации поляризованных составляющих сигнала и помех с фазорами pm.
Элементы 2^-мерных вектор-столбцов eim равны значениям диаграмм направленности антенных элементов в направлении pm на поляризации полностью поляризованного компонента ш-го источника помехи (г = = 1) и на поляризациях ортов поляризационного базиса г@ (г = 2), ф (г = 3)
разложения его неполяризованного компонента.
Выражение для оптимального вектора в (1) может быть записано в виде [7]
#0 = ко В-1 (е*о + рэ* ), (2)
где к0 - постоянный множитель, определяющий "масштаб" весовых коэффициентов;
р _ шШРо+0,5т* (1+1 Ро |2V1 -(ш0)
рэ
Ш00 + 0,5 1 -(ш0) (1+1 Р0 Г
V
- эквивалентный фазор сигнала, который в зависимости от степени поля-
0 * 0 л
ризации сигнала изменяется от рэ = р0 при шШ до рэ _ т при Ш0. Вектор весовых коэффициентов в (2) зависит от степени поляризации сигнала и помех.
Рассмотрим влияние изменений поляризационных параметров помех на свойства адаптивных систем пространственно-поляризационной селекции.
1. Полностью поляризованная однопозиционная помеха
Выражения для оптимального весового вектора (2) и показателя q в (1) могут быть упрощены:
т^ т^ * * V е-т /ОЛ
#0 _ К1 ею-°1еи > _^7рш—; (3)
1 + V ец
0
|2
2 ) 2 q _ q
Г V ^
1--
1 + V
V
Рш|2, (4)
где V - отношение помеха/шум по мощности на выходе адаптивной системы пространственно-поляризационной селекции, согласованной с помехой
I I2
по направлению и поляризации; q _ |е10| - максимальное значение отношения сигнал/шум в отсутствии мешающих излучений.
Минимальная эффективность ППС в данном случае составляет |рю| = Ю- Остановимся на физической интерпретации этого результата.
Величина рю является коэффициентом пространственно-поляризационных различий (КППР) сигнала и помех, определяющим эффективность адаптивных систем пространственно-поляризационной селекции, который для идентичных одинаково ориентированных биортогональных антенных элементов удобно представить в виде
р10 = рпррпол,
где рпр = —N--- - коэффициент пространственных разли-
NI exp(jkrn (Vi - Vo)) n
чий сигнала и помех для антенны из N изотропных элементов, равный множителю равноамплитудной решетки в направлении помехи (p1) с максимумом в направлении сигнала (p0);
р = [fi(Pi )hi ][/i (Po )ho Г + f (Pi )hi 1/2 (P0 )ho Г _ (5)
рпол 12 , \ r( u 12 , /rw u 12 , \ r( L12 (5)
ШР\ К ]2 + [/2(Р1>И]2 + 4/Р0)Ло]2 + [/2(Р0)Л0]
КППР сигнала и помехи для биортогонального элемента антенны (излучателя), элементы которого имеют векторные ДН в местной системе координат /1(р), /2(р); Ло,Л1 - вектор поляризации сигнала и помехи соответственно.
С увеличением угловых и поляризационных различий помехи и сигнала в поляризационных характеристиках элементов биортогонального излучателя величина |р10| уменьшается, что снижает эффективность помех. В области углов А^, содержащей направления р0 и р1, для которых
ЖР) @ /2(РХЖР) ^ /2(Р),/1(2)(Р) @ /1(2)(Р) из (5) получим
*
рпол -Л1Л0.
В области главного лепестка диаграммы направленности эффективность помех в основном зависит от поляризационных отличий ее от сигнала, которые становятся определяющими в отсутствие угловых различий, когда рпр = 1. При больших угловых различиях помехи 2
и сигнала цией.
рпр
<< i эффективность помехи определяется угловой селек-
2. Неполяризованная однопозиционная помеха
В этом случае, учитывая, что при условии равенства в направлении и1 КНД элементов биортогонального излучателя и ортогональности их поляризаций, из (3), (4) получаем
2 ) 2 двн = д
V
1 + V
|2 , I |2
р20 + Р30
|2
Р = еПе*0 р10 =
Т Т
е11 е10
I = 2,3.
Величина V = 0,5д1 е21 - мощность ортогональной составляющей
неполяризованной помехи, нормированная к мощности шума на выходе согласованной с ней адаптивной системы пространственно-поляризационной селекции.
Величины рю, I = 2,3, определяющие КППР сигнала и ортогональных компонентов помехи в адаптивных системах пространственно-поляризационной селекции для идентичных одинаково ориентированных биортогональных излучателей, преобразуются к виду
1
р10 р пр р пол 1,
где рпол1 рассчитывается по формуле (5) с заменой в ней на /©, при I = 2 и /ф при I = 3. В рассматриваемой области углов
-2 ) 2 двн = д
1
V
1 + V
рпр
2
Таким образом, для неполяризованной помехи оптимальная ДН представляет собой взвешенную разность двух, согласованных по поляризации с сигналом, парциальных диаграмм, максимумы которых ориентированы в направлении р0 и р1 соответственно. Для неполяризован-ной помехи селекция сигнала возможна лишь при наличии угловых различий с ней. Поэтому для нее справедливы все результаты влияния помех, полученные для адаптивных систем пространственной селекции.
3. Частично поляризованная помеха
В данном случае оптимальный весовой вектор определяется выражением (2). Оптимальная ДН состоит из основной ДН, обеспечивающей согласованный прием сигнала с направления р0, и трех взвешенных компенсационных ДН, обеспечивающих согласованный прием независимых компонент помехи, приходящей с направления р1.
При этом одна из компенсационных диаграмм предназначена для подавления регулярно поляризованного компонента помехи, а две другие предназначены для формирования энергетического провала в результирующей ДН по мощности для пространственного подавления неполяризованного компонента помехи.
ад
Ос(и)
1а,б
За
\
/
26 / ;
-- /
^За
О 0.1(57 0.333 0.5 0.(567 0.833 1
Рис. 2. Зависимость нормированного уровня диаграммы направленности т] для СППС
На рис. 2 приведены зависимости отношения коэффициента усиления решетки при оптимальной ДН О(ы) и согласованной с сигналом ДН Ос(ы) в направлении прихода сигнала (а) и помехи (б).
Кривые 1, 2, 3 получены для трех углов 0 = 90,91,95 градусов прихода помех относительно направления на север интенсивностью Рп/Рш = 30 дБ. В качестве адаптивной системы пространственно-поляризационной селекции рассматривалась решетка из десяти крестообразных вибраторов с шагом d = 1 / 2.
На рис. 3 изображены зависимости от т1 отношения сигнал/помеха двн для различных 0 (кривые 1, 2, 3). Кривые 4, 5, 6 представляют аналогичные зависимости для адаптивных систем пространственной селекции при полном поляризационном согласовании с сигналом каждого элемента решетки, а кривые 7, 8, 9 - для адаптивных систем поляризационной селекции при ориентации максимума ДН в направлении прихода сигнала.
Чвн
3
й
2
5 *
;
--7
У 1 ^ (? /
■4
О 0.25 0.5 0.75 1
Рис. 3. Зависимость отношения сигнал/помеха на выходе СППС от т]
99
Предполагается, что пространственная селекция достигается управлением формой ДН с помощью N весовых коэффициентов, поляризационная - с помощью двух весов в подрешетках с горизонтальными и вертикальными вибраторами. Поляризация регулярной компоненты помехи определяется коэффициентом эллиптичности ai = 0 и углом ориентации ßi = 450°. Сигнал кругополяризован (a0 = i) и приходит по нормали к решетке. При Wn = i,для всех n = i,N; 200 5p = i0°. Кривые i, 4, 7 соответствуют условиям: 0i = 90°; 2, 5, 8-0i = 9i°; 3,6,9 -0i = 95°.
Анализ зависимостей показывает, что при увеличении mi значение G(u) приближается к GC(u) как в направлении сигнала, так и в направлении помехи, т. е. происходит восстановление формы главного лепестка ДН, который был искажен при mi < 0,8 из-за наличия энергетического провала в направлении 0i .Это связано с увеличением роли поляризационной селекции, т. к. при mi > 0,8 поляризация решетки почти ортогональна поляризации регулярного компонента помехи. При этом q2 увеличивается, хотя и происходит рассогласование СППС с сигналом по поляризации. По своей эффективности пространственная селекция приближается к поляризацион-но-пространственной при Д0 = 0i -00 > 00 5p или mi < 0,8, а поляризационная - при Д0 > 00 5p и mi ~ i.
С возрастанием количества средств помех сравнительная эффективность адаптивных систем пространственно-поляризационной селекции увеличивается, хотя и зависит от числа этих средств и их параметров.
Таким образом, как следует из приведенных результатов, адаптивная система пространственно-поляризационной селекции является наиболее эффективной при подавлении частично поляризованных помех. При попадании помехи по главному лепестку наиболее эффективной является поляризационная селекция, а при попадании помехи по боковым лепесткам ДН - пространственная селекция. В целом пространственно-поляризационная селекция в наибольшей степени может удовлетворять требованиям по подавлению помех и защите полезного сигнала от подавления, на основе комплексного учета различий их пространственных и поляризационных параметров.
Список литературы
1. Уидроу Б., Стирнс С. Адаптивная обработка сигналов / Пер. с англ. М.: Радио и связь, i989. 509 с.
2. Монзиго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки / Введение в теорию / Пер. с англ. / под ред. В.А. Лексаченко. М.: Радио и связь. 458 с.
i00
3. Ширман Я. Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. М.: Радио и связь, 1981.
4. Козлов А.И., Логвин А. И., Сарычев В. А. Поляризация радиоволн (Радиолокационная поляриметрия). М.: Радиотехника, 2007. 638 с.
5. Миллиметровая радиолокация: методы обнаружения негауссов-ских сигналов / Н.С. Акиншин [и др.]; под ред. Р.П. Быстрова. М.: Радиотехника, 2010. 528 с.
6. Boerner W.M., Hujnen J.R., Metchur N.C. Polarization in radar targe-treconstruction / Final report The University of Illinois at Chicago. 1983.
7. Cherardelli H., Guillii D., Fossi M., Freni A. Adaptive polarization for rejection of ground clatter / Onde elect. № 6. 1989. Р. 5 - 10.
Румянцев Владимир Львович, д-р техн. наук, зам. нач. отдела, vlroomayandex.ru, Россия, Тула, ОАО Центральное конструкторское бюро аппарато-строения,
Барановский Николай Михайлович, старший преподаватель ТВВИКУ, Тюмень, Тюменское высшее военно-инженерное командное училище
EFFICIENCY ASSESSMENT OF SPACE-POLARIZA TION DISCRIMINA TION V.L. Rumiantsev, N.M. Baranovskiy
A space-polarization system model has been researched in which orthogonal vibrators are used as antenna elements. The effect of clutter polarization parameters on its parameters has been examined.
Key words: polarization discrimination, adaptive system, antenna array, pattern.
Rumiantsev Vladimir Lvovich, doctor of technical science, assistant head of department, vlroomayandex. ru, Russia, Tula, JSC Central Design Bureau of Apparatus Engineering,
Baranovskiy Nikolay Mihaylovich, senior lecturer, Tumen, Tumen Military Higher Engineering Command School
